Jaké jsou principy VSG?

Technické principy VSG

Předmluva

Tento bílý dokument systematicky shrnuje úvod do systémových funkcí technologie grid-formingu pro akumulaci energie VSG, současné problematické body aplikačních scénářů, doporučení produktového portfolia a představení výhodných řešení.

1. Princip a představení funkcí VSG

Virtuální synchronní generátor (Virtual Synchronous Generator, VSG) je pokročilá řídicí strategie založená na výkonové elektronice. Prostřednictvím simulace elektromechanických vlastností a dynamického chování tradičního synchronního generátoru umožňuje střídačům nebo systémům akumulace energie získat schopnosti, které má tradiční generátor — setrvačnou podporu, regulaci frekvence a podporu stability napětí.

Tradiční synchronní generátor se spoléhá na hnací stroj (vodní turbínu, parní turbínu atd.), který roztáčí rotor pro výrobu elektřiny; přirozeně disponuje setrvačností a tlumicími charakteristikami a dokáže interagovat se sítí prostřednictvím regulace frekvence a napětí. VSG naproti tomu pomocí řídicích algoritmů umožňuje zařízením pro výrobu energie z obnovitelných zdrojů nebo akumulačním zařízením, která tyto vlastnosti původně nemají, "napodobovat" provoz tradičního synchronního generátoru. Hlavním cílem je posílit kooperaci obnovitelných zdrojů energie s elektrickou sítí a zvýšit stabilitu a kompatibilitu elektrizační soustavy.

VSG má při přizpůsobování různým aplikačním scénářům celkem čtyři hlavní funkční větve:

• Podpora grid-formingu při připojení k síti — akumulace energie připojená k síti dokáže bez nutnosti EMS na základě změn frekvence a napětí včas poskytovat podporu činného a jalového výkonu, dodávat systému setrvačnost a tlumení a optimalizovat harmonické složky systému.
• Bezproblémové přepínání sítě — systém akumulace energie nepřetržitě vytváří síť; pomocí rychlého odpojovacího zařízení v kombinaci s aktivní a pasivní funkcí detekce ostrovního provozu se dosahuje rychlé izolace poruchového obvodu a bezproblémového přepnutí bez odstávky.
• Koordinace dieselového generátoru a akumulace — prostřednictvím VSG ve spolupráci s dieselovým generátorem se realizuje aplikace hybridního výstupu se zvýšením výkonu, bez nutnosti STS, což snižuje hardwarové náklady.
• Grid-forming v ostrovním provozu s paralelním připojením — umožňuje ostrovní grid-forming systém bez komunikace nebo se slabou komunikací CAN; celý systém je koordinován pomocí EMS.

Revoluční nasazení 12 paralelně připojených jednotek v ostrovním provozu bez komunikace

2. Podpora grid-formingu při připojení k síti

2.1 Aplikační pozadí

Finská a brazilská síť v současnosti již povinně vyžadují, aby akumulační zařízení připojená k síti disponovala funkcí grid-forming. Evropské Turecko požaduje dobu odezvy na regulaci frekvence 100 ms a Německo v současnosti rovněž připravuje normu pro výnosy z grid-formingu.

PCS s funkcí grid-formingu vykazuje na straně zdroje a sítě stabilnější a flexibilnější charakteristiku napájecího zdroje. Prostřednictvím tří klíčových mechanismů — virtuální tlumení, setrvačnostní odezvy a přetváření virtuální impedance — snižuje riziko rezonance systému, pomáhá udržovat stabilnější napětí a frekvenci nové elektrizační soustavy a vytváří model výnosů nové elektrizační soustavy.

2.2 Seznam podporovaných produktů

2.3 Aplikační řešení

Řešení 800V AC-coupled grid-forming fotovoltaiky s více stringy

Soulad s normami
Modul PCS 215 kW již získal certifikace CE pro 400 V / 690 V / 800 V a síťovou certifikaci EN50549 pro Evropu.

Řešení s více stringy
Poskytuje funkci SOC balancování na úrovni clusteru. Řešení grid-formingu s více stringy umožňuje, aby výpadek jakéhokoli jednoho stringu akumulace neovlivnil provoz systému, čímž je zajištěna vysoká online dostupnost a stabilita systému.

Řešení AC grid-forming coupling 800V pro fotovoltaiku a akumulaci
Podporuje AC výstup 800 V a lze jej přímo spojit se střídači主流ové fotovoltaiky prostřednictvím AC coupling. Algoritmus grid-formingu VSG navíc prostřednictvím tří klíčových mechanismů — virtuální tlumení, setrvačnostní odezvy a přetváření virtuální impedance — snižuje při grid-formingu riziko rezonance systému. Pro připojení fotovoltaicko-akumulačního systému k síti postačuje jediný transformátor.

Funkce grid-formingu VSG při připojení k síti
Akumulační systém prostřednictvím funkce grid-formingu při připojení k síti podporuje:

• Pasivní primární regulaci frekvence a napětí na úrovni mikrosekund
• Potlačení harmonických složek
• Aktivní sekundární regulaci frekvence a napětí
• Funkci pružné setrvačnostní podpory

Při poruše na straně sítě poskytuje maximálně 1,5násobek jmenovitého výkonu po dobu 200 ms pro podporu grid-formingu, čímž pomáhá stabilnímu provozu sítě a vytváří zcela nový model pasivních výnosů pro akumulační systémy připojené k síti.

3. Bezproblémové přepínání se sítí

3.1 Produktové formy

3.2 Představení řešení grid-forming přepínání

3.2.1 Řešení 1: Konfigurace modulu STS (250 kW-500 kW-1 MW)

VSG v kombinaci s modulem STS pro přepínání (doba přepnutí 20 ms — přechod ze síťového VSG do ostrovního VSG)

Celý proces je řízen modulem STS a modulem PCS, které zajišťují přepínání mezi síťovým a ostrovním provozem. Mezi modulem STS a PCS je nutná komunikace CAN. Ve srovnání s tradičním režimem přepínání PQ/VF je u kombinace VSG se modulem STS díky slabé komunikaci stabilita komunikace lepší, komunikační vzdálenost delší a odolnost proti rušení vyšší.

Schopnost přepínání s připojenou zátěží je vzhledem k tomu, že se přepínání neúčastní, lepší než u tradičního režimu — nárůst o více než 30 %.

3.2.2 Řešení 2: Konfigurace motorového pohonu + synchronizačního zařízení (100 ms)

Aplikační režim: pro moduly bez svorky VG nebo pro případy, kdy je spínací bod sítě vzdálený (postačuje komunikace s libovolným hostitelským modulem) Přechod ze sítě do ostrova

Přepnutí ze sítě do ostrova: PCS pracuje v režimu síťového VSG a současně provádí aktivní/pasivní detekci ostrovního provozu - Aktivní ostrovní provoz: při výpadku sítě vyšle PCS příkaz k vypnutí externímu spínači a současně přepne do režimu ostrovního VSG - Pasivní ostrovní provoz: při výpadku sítě detekuje PCS na základě beznapěťových kontaktů DI stav sepnutí externího spínače a přepne do režimu ostrovního VSG

Přechod z ostrova do sítě

V této fázi EMS upraví referenční hodnoty napětí a frekvence ostrovního PCS tak, aby byly v souladu se sítí. Synchronizační zařízení detekuje synchronizaci a vysílá beznapěťový signál pro ovládání sepnutí. PCS načte stav sepnutí motorového pohonu a přepne z ostrovního VSG do síťového VSG

3.2.3 Řešení 3: Schéma synchronizace a sepnutí se vzorkováním VG

• Konfigurace přepínání motorovým pohonem + vzorkování VG (100 ms) (postačuje komunikace s libovolným hostitelským modulem)
• Konfigurace přepínání stykačem + vzorkování VG (20 ms) (postačuje komunikace s libovolným hostitelským modulem)

PCS pracuje v režimu VSG; prostřednictvím skupiny beznapěťových kontaktů DO ovládá sepnutí/rozepnutí externího přepínacího spínače, skupina beznapěťových kontaktů DI detekuje stav sepnutí externího spínače a skupina vzorkování napětí slouží k monitorování fáze a amplitudy napětí na straně sítě. Aktivní i pasivní detekci ostrovního provozu při výpadku napájení provádí PCS. Synchronizaci při přechodu z ostrova do sítě aktivně provádí PCS ve vztahu k síti a vysílá příkaz k sepnutí motorovému pohonu.

Aplikační režim 1: Aktivní vypnutí na straně sítě jako ochrana — přepnutí do ostrova; sepnutí při zastavení pro přechod do sítě

• Přepnutí ze sítě do ostrova: PCS pracuje v režimu síťového VSG, poté motorový pohon na straně sítě aktivně vypne; PCS načte stav sepnutí motorového pohonu a přepne do režimu ostrovního VSG.
• Přepnutí z ostrova do sítě: PCS pracuje v režimu ostrovního VSG, nejprve se zastaví a poté motorový pohon sepne. PCS přepne do režimu síťového VSG, spustí se a připojí k síti.

Aplikační režim 2: Pasivní výpadek napájení na straně sítě — přepnutí do ostrova; automatické sepnutí při připojení k síti bez zastavení

• Přepnutí ze sítě do ostrova: PCS pracuje v režimu síťového VSG a současně provádí aktivní/pasivní detekci ostrovního provozu
• Aktivní ostrovní provoz: při výpadku sítě vyšle PCS příkaz k vypnutí externímu spínači a současně přepne do režimu ostrovního VSG
• Pasivní ostrovní provoz: při výpadku sítě detekuje PCS na základě beznapěťových kontaktů DI stav sepnutí externího spínače a přepne do režimu ostrovního VSG
• Přepnutí z ostrova do sítě: PCS pracuje v režimu ostrovního VSG, synchronizační zařízení průběžně monitoruje stav na straně sítě; po obnovení napětí automaticky synchronizuje fázi a amplitudu se sítí. Po dokončení synchronizace vyšle synchronizační zařízení příkaz k sepnutí motorovému pohonu; PCS na základě stavu beznapěťových kontaktů DI přepne do režimu síťového VSG.

4. Dieselový generátor a fotovoltaický systém společně tvoří mikrosíť a pokrývají zátěž (podpora slabé sítě)

4.1 Aplikační pozadí a problematické body

V aplikačních scénářích slabých sítí v odlehlých oblastech nebo v aplikacích vyžadujících záložní napájení se jako napájecí jednotka obvykle používá dieselový generátor jako stabilní zdroj střídavého proudu. Palivové náklady dieselového generátoru jsou však vysoké a při náhlém nárůstu zátěže je přechodová charakteristika systému nestabilní — rozsah poklesu frekvence a napětí je velký. Proto se k mikrosíti často přidávají fotovoltaika a akumulace energie, aby se snížila spotřeba paliva dieselového generátoru.

V tradičních ostrovních systémech fotovoltaika-akumulace-diesel však často existují následující problematické body.

Problematický bod 1: Nestabilní frekvenční a napěťové charakteristiky dieselového generátoru způsobují časté přepínání STS nebo neúspěšnou fázovou synchronizaci — přechodové výkyvy spouštějí řetězové poruchy

Malé dieselové generátory (≤ 500 kW) běžně používané v odlehlých oblastech mají v důsledku opožděné odezvy regulátoru otáček (typická doba odezvy 0,5–1 s) a nízké přesnosti regulace budicího systému při náhlém nárůstu zátěže (například při spouštění motorů nebo provozu svářeček) tyto důsledky:

• Frekvence může okamžitě poklesnout o 0,5–10 Hz
• Napětí poklesne o 15–30 %

Prahové hodnoty pro spuštění přepnutí STS jsou přitom obvykle nastaveny na odchylku frekvence ±0,5 Hz a odchylku napětí ±10 %, takže přechodové výkyvy dieselového generátoru snadno vyvolávají časté přepínání. Současně musí fázový závěs (PLL) sledovat fázi napětí dieselového generátoru; pokud zkreslení napětí překročí 5 % nebo rychlost kolísání frekvence je > 0,2 Hz/s, dochází k selhání fázového závěsu a paralelní připojení fotovoltaiky a akumulace k dieselovému generátoru není možné realizovat.

Problematický bod 2: Při společném pokrývání zátěže akumulací v režimu připojení k síti společně s dieselovým generátorem existuje riziko zpětného výkonu — nerovnováha zdroje, sítě a zátěže způsobuje poškození zařízení

Akumulační systém v režimu připojení k síti používá strategii řízení proudového zdroje, kde výstupní výkon sleduje signál zadané hodnoty. Dieselový generátor naproti tomu působí jako zdroj napětí a prostřednictvím regulátoru otáček a budicího systému udržuje stabilní frekvenci a napětí — mezi oběma řídicími logikami existuje zásadní rozdíl. Když se náhle zvýší výkon fotovoltaiky (například po pominutí zastínění oblaky) nebo náhle poklesne zátěž (například při zastavení velkého zařízení), a činný výkon dodávaný akumulací překročí okamžitou potřebu zátěže, přebytečná energie se v důsledku rychlosti odezvy EMS přenese zpět do dieselového generátoru. Protože je dieselový generátor mechanické rotující zařízení, zpětný výkon způsobí abnormální zvýšení otáček (o 5–10 % nad jmenovité otáčky), spustí ochranný zásah regulátoru otáček a může vést až k únavovému poškození mechanických součástí, jako je klikový hřídel a setrvačník.

Problematický bod 3: Kapacita fotovoltaiky a akumulace je v důsledku rizika rezonance omezena kapacitou a charakteristikami dieselového generátoru — využití čisté energie je vážně omezeno

Fotovoltaicko-akumulační systém se připojuje k mikrosíti prostřednictvím střídačů; jeho výstupní impedance, vnitřní impedance dieselového generátoru (indukční impedance, měnící se se zátěží) a impedance vedení mohou snadno vytvořit sériovou nebo paralelní rezonanci při určitých frekvencích (obvykle 30–300 Hz). Čím menší je kapacita dieselového generátoru, tím širší je rozsah změn vnitřní impedance a tím vyšší je riziko rezonance. Současně se impedance charakteristiky synchronních a asynchronních dieselových generátorů výrazně liší; regulace buzení synchronního dieselového generátoru zvyšuje kolísání impedance a dále tak omezuje horní hranici kapacity fotovoltaicko-akumulačního systému. V oboru se běžně používá empirická prahová hodnota "kapacita fotovoltaika-akumulace ≤ 70 % kapacity dieselového generátoru"; v některých přísných scénářích je dokonce nutné ji udržet pod 50 %.

4.2 Systémové řešení produktových výhod

4.2.1 Řešení studeného záložního přepínání diesel-akumulace bez STS

Pokud PCS pracuje v režimu VSG (virtuální synchronní generátor), disponuje vestavěnou funkcí fázové synchronizace. Proto když dieselový generátor v systému vytvoří napětí a PCS se k takovému systému připojí, dokáže se PCS automaticky připojit na základě napětí vytvořeného dieselovým generátorem prostřednictvím fázové synchronizace, bez nutnosti dalších zařízení. Řídicí smyčka regulace napětí a frekvence VSG navíc zajišťuje koordinovaný provoz s dieselovým generátorem a společné grid-forming.

Když se dieselový generátor připojuje k fotovoltaicko-akumulačnímu systému, který již vytvořil napěťový zdroj, je nutné různé typy dieselových generátorů přizpůsobit různými řešeními — některé dieselové generátory lze provozovat pouze samostatně, jiné (synchronní generátory) mají vlastní synchronizační funkci.

Aplikační scénář — přizpůsobení synchronního generátoru (bez nutnosti jakýchkoli pomocných přepínacích zařízení) Pokud má generátor připojený v systému vlastní synchronizační funkci, tzn. jeho regulátor dokáže po synchronizaci s externím napájecím zdrojem ovládat sepnutí interního motorového pohonu dieselového generátoru. Při spolupráci s tímto typem synchronního generátoru lze v režimu VSG dosáhnout libovolného bezproblémového přepínání mezi dieselovým generátorem a akumulačním systémem.

Aplikační scénář — přizpůsobení jednoho generátoru

• Připojení jednoho dieselového generátoru: v ostrovním stavu se dieselový generátor nespouští, grid-forming zajišťuje fotovoltaika a akumulace. Když SOC dosáhne prahové hodnoty pro spuštění dieselového generátoru, dieselový generátor se spustí; prostřednictvím synchronizačního zařízení / vzorkování VG + motorového pohonu se připojí k ostrovnímu systému. PCS načte stav sepnutí a přepne do režimu síťového VSG.
• Odpojení dieselového generátoru: když SOC dosáhne horní meze, EMS přímo vypne dieselový generátor a vyšle příkaz k rozepnutí. PCS načte stav sepnutí a přepne do režimu ostrovního VSG.

Řešení 1: Synchronizační zařízení + motorový pohon Prostřednictvím externího synchronizačního zařízení + motorového pohonu je zajištěna fázová synchronizace při připojení dieselového generátoru k akumulačnímu systému, a teprve poté je provedeno sepnutí.

Řešení 2: Svorka pro vzorkování VG + motorový pohon PCS prostřednictvím svorky pro vzorkování VG přímo vzorkuje fázi a frekvenci napětí na straně dieselového generátoru po jeho spuštění; aktivně provádí fázovou synchronizaci s dieselovým generátorem a po potvrzení synchronizace ovládá sepnutí motorového pohonu. Na základě načtení stavu spínače přechází z ostrovního VSG do síťového VSG.

4.2.2 Hybridní aplikace diesel-akumulace s VSG

Aplikace zvýšení výkonu systému

VSG má vestavěnou podporu primární regulace frekvence a napětí a setrvačnostní odezvu. V kombinaci s dieselovým generátorem umožňuje rychlou podporu měnících se přechodových rázových zátěží s koordinací na úrovni mikrosekund s dieselovým generátorem. V závislosti na konfiguraci parametrů a charakteristikách dieselového generátoru může celková kapacita systému dosahovat (dieselový generátor + akumulace) × (0,5 – 0,8). Například při dieselovém generátoru 100 kW a akumulaci 100 kW může systém v nezatíženém stavu náhle připojit 100–160 kW.

Tuto aplikaci lze rovněž použít v aplikacích studeného záložního provozu dieselového generátoru. Pokud se v mikrosíti nachází velké množství indukční zátěže, lze při spouštění zátěže prostřednictvím aplikace zvýšení výkonu připojit dieselový generátor do systému a krátkodobě tak zvýšit jeho kapacitu; po spuštění indukční zátěže se dieselový generátor opět vypne. Tato aplikace umožňuje v mikrosítích s převahou indukční zátěže výrazně snížit konfigurovanou kapacitu akumulačního systému.

Rozdělení výkonu zátěže

EMS může prostřednictvím sekundární regulace frekvence zasílat PCS zadané hodnoty činného a jalového výkonu a v ustáleném stavu rozdělovat zátěž mezi dieselový generátor a akumulační systém, například za účelem udržení bodu nejlepší účinnosti generátoru.

Rozšíření grid-formingu fotovoltaika-akumulace

Algoritmus grid-formingu VSG aktivně vstřikuje do systému tři klíčové mechanismy — virtuální tlumení, setrvačnostní odezvy a přetváření virtuální impedance — čímž snižuje riziko rezonance systému a umožňuje akumulačnímu systému společně s dieselovým generátorem vytvářet síť. Ve srovnání s tradičním režimem, kdy jsou jak fotovoltaika, tak akumulace řízeny jako proudový zdroj, se vzorec pro výpočet kapacity fotovoltaiky systému mění z

"kapacita fotovoltaika-akumulace ≤ 70 % kapacity dieselového generátoru"

na

"kapacita fotovoltaiky = kapacita akumulace × 75 % + kapacita dieselového generátoru × 70 %"

Potlačení harmonických složek systému

V režimu VSG spolupracuje PCS s dieselovým generátorem při grid-formingu. Tradiční řízení proudového zdroje nedokáže optimalizovat harmonické složky systému a na původní harmonické složky dieselového generátoru přidává 1–2 % harmonického obsahu. Harmonický obsah napětí VSG je v rámci 1–2 %; v závislosti na kapacitě dokáže akumulace část harmonického obsahu s nízkou úrovní kompenzovat harmonický obsah dieselového generátoru v rozsahu 3–8 %, čímž se celkový harmonický obsah systému snižuje.

5. Systém grid-formingu s paralelním připojením čistě ostrovních PCS

5.1 Aplikační pozadí

V aplikačních scénářích v odlehlých oblastech a na ostrovech není k dispozici vstup z velké elektrické sítě, a proto je nutný čistě ostrovní grid-forming fotovoltaika-akumulace. Stejně tak ve velkých aplikačních scénářích záložního napájení je v ostrovním stavu rovněž zapotřebí grid-formingu s paralelním připojením více PCS.

Tradiční paralelní připojení ostrovních PCS v režimu VF je omezeno zatížitelností komunikace, celková kapacita grid-formingu a vzdálenost komunikace jsou omezené a v ostrovním stavu navíc nelze aktivně řídit výkon ani provádět strategii SOC balancování, což ovlivňuje stabilitu celého systému a zvyšuje náklady na údržbu.

5.2 Aplikační řešení

5.2.1 Funkce SOC balancování v ostrovním online provozu

Tradiční komunikační architektura VF

Architektura paralelního připojení VSG

V režimu VSG nevyžaduje paralelní připojení žádné komunikační vedení; pro udržení stability systému postačuje, aby EMS samostatně řídil každý PCS prostřednictvím sekundární regulace frekvence a napětí. Počet paralelně připojených jednotek lze v současnosti realizovat až 12; v ostrovním stavu lze prostřednictvím příkazů sekundární regulace frekvence samostatně řídit nabíjecí a vybíjecí pokyny každého PCS.

5.2.2 Komunikační schéma grid-formingu pro paralelní připojení více ostrovních jednotek

Bezkomunikační paralelní připojení více skříní VSG

• Způsob spouštění: EMS vyšle prostřednictvím komunikačního vedení příkaz ke spuštění libovolnému jednomu stroji; tento stroj nejdříve vytvoří napětí a poté postupně zasílá příkazy ke spuštění podřízeným strojům, které se spouštějí postupně s intervalem 30 s.
• Způsob řízení: EMS zasílá každému PCS příkaz výkonu; je třeba dodržet pravidlo celkový vybíjecí výkon PCS − celkový nabíjecí výkon PCS = zátěž

Paralelní připojení více skříní VSG se slabou komunikací

• Způsob spouštění: EMS vyšle prostřednictvím komunikačního vedení příkaz ke spuštění všem strojům; hlavní a podřízené stroje poté po potvrzení příkazů automaticky synchronně provedou black start.
• Způsob řízení: EMS zasílá hlavnímu stroji příkaz celkového výkonu PCS; hlavní stroj automaticky rovnoměrně synchronně rozděluje výkon podřízeným strojům.
• Popis slabé komunikace: zahrnuje synchronní black start jedním stiskem a funkci synchronizace příkazů výkonu z EMS.

Grid-forming paralelní připojení více skříní se slabou komunikací na velké vzdálenosti bez komunikace

• Způsob řízení: EMS nejprve vyšle prostřednictvím komunikačního vedení příkaz ke spuštění hlavnímu stroji s největší kapacitou v CAN skupině; po dokončení spuštění postupně zasílá příkazy ke spuštění hlavním strojům v CAN komunikačních skupinách s klesající kapacitou, přičemž čeká 30 s – 60 s.

5.2.3 Aplikace zvýšení výkonu ostrovních projektů

U starších čistě ostrovních projektů představuje zvýšení výkonu často problematický bod — je nutné zohlednit přizpůsobení komunikační architektuře starých PCS a také to, zda je zatížitelnost komunikace dostatečná.

V ostrovním stavu lze PCS prostřednictvím VSG bez komunikace realizovat grid-forming rozšíření výkonu, přičemž lze přizpůsobit PCS libovolné značky, bez ohledu na komunikační architekturu, a bezproblémově rozšířit ostrovní systém. S použitím skříně typu All-in-one lze dosáhnout Place-and-Play — tedy okamžitého uvedení do provozu.

Příloha: Rychlý přehled klíčových parametrů

Tři klíčové mechanismy VSG

Portfolio produktů PCS

Srovnání přepínacích řešení

Klíčové přínosy hybridního VSG diesel-akumulace

Srovnání řešení paralelního připojení v ostrovním provozu